一种特高压断路器用液压操动机构的仿真平台系统及方法
【专利摘要】本发明涉及一种特高压断路器用液压操动机构的仿真平台系统及方法。包括储能系统、控制阀系统、液压缸及其内缓冲系统和管道系统；其中储能系统包括初始参数计算、蓄能器搭建、充压装置子模块；控制阀系统包括电磁先导阀、放大阀和主阀子模块；液压缸及其内缓冲系统包括差动式液压缸和缸内缓冲参数化模型子模块；管道子系统包括沿程压力损失模型和局部压力损失模型子模块。通过理论建模和参数确立，将四个系统调入仿真模型搭建和计算系统，并通过结果输出系统进行计算结果的输出。本发明可以对特高压断路器用液压操动机构的综合特性进行计算机模拟仿真和准确评价，缩短产品设计周期、降低试验成本、避免试验的盲目性。
【专利说明】一种特高压断路器用液压操动机构的仿真平台系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及复杂大功率液压操动系统建模及仿真方法，尤其涉及一种特高压断路 器用液压操动机构的仿真平台系统及方法。
【背景技术】
[0002] 特高压断路器是特高压输电线路中最重要的保护和控制设备，能够控制电网线路 的运行和退出、快速切断故障线路，是我国"发展特高压输电、建设坚强智能的电网"的重要 保证。特高压断路器运行时所切断的电流高达几万安培，所需的操作功大，必须配备高效、 大功率、可控性强的操动机构。
[0003] 断路器用操动机构可分为手动操动机构、电磁操动机构、电动操动机构、弹簧操动 机构、气动操动机构和液压操动机构等，每一种机构都有其各自的优缺点和使用场合，但特 高压断路器运行时所需的操作功巨大，要想实现操动机构的输出力与负载力的良好匹配， 考虑到液压操动机构的功率大、动作快、操作平稳的特点，目前在特高压断路器中一般采用 液压操动机构。
[0004] 大功率液压操动机构的先进核心技术主要掌握在世界上的几大公司手中，如欧洲 的Siemens、ABB、Alstom、Schneider、Bucher等公司，以及亚洲日本的三菱、东芝、日立和韩 国的晓星等公司。在中国，液压操动机构主要以引进技术为主，自主核心技术比较薄弱，河 南平高电气集团、西安电气集团和沈阳新东北电气集团等几家大公司都在致力研究特高压 断路器液压操动机构的关键技术。我国生产的断路器的性能与世界其它国家相比，电气性 能的差距不大，主要差距是在操动机构的机械性能方面。
[0005] 由于特高压断路器在动作中具有瞬时爆发大功率、高速响应等特点，所配备的液 压操动机构结构复杂紧凑、零件众多，在运行时难免会出现一些问题，如零部件振动剧烈、 噪音巨大、液压缸缓冲压力过高、管道系统压力波动严重等，这些问题和故障往往是相互关 联、相互影响的，同时在产品设计时是无法预料和评估的，传统的"试验测试-发现问题-结 构改进-再测试"的方法费时费力、成本高且盲目性较大，同时在试验测试环节很多因素都 无法直接测量，难以找到问题的根源，因此需要寻找科学、高效、实用的设计方法。
[0006] 以计算机仿真为基础的复杂系统综合建模技术是一种先进的系统结构、功能的设 计和分析方法，将其应用到特高压断路器用液压操动机构的设计和优化中，可建立一套科 学、高效、实用的液压系统综合仿真平台，将关键零部件结构参数化、功能参数化，在物理样 机试制过程中就能预测到系统可能会出现的故障和问题，并能提供切实可行的科学解决方 案，从而可降低我国断路器产品的生产成本、增强产品的科技含量和综合竞争力。
【发明内容】
[0007] 本发明主要是解决现有技术所存在的技术问题；提供了一种能充分考虑复杂大功 率液压操动机构中各元件的协同作用，将各关键元件进行特征提取并进行精确建模，同时 能针对故障频发的液压缸缓冲模块，进行结构参数化建模和功能参数化建模，大大提高了 建模的效率，并较真实地模拟实际复杂工况，确保仿真结果更接近实际情形，能对液压操动 机构的综合性能进行准确评价的一种特高压断路器用液压操动机构的仿真平台系统及方 法。
[0008] 本发明还有一目的是解决现有技术所存在的技术问题；提供了一种应用范围广 泛，可用于超高压及特高压断路器中的液压操动机构的性能分析和综合评价，亦可用于其 它型式的操动机构的一种特高压断路器用液压操动机构的仿真平台系统及方法。
[0009] 本发明再有一目的是解决现有技术所存在的技术问题；提供了一种可显著缩短产 品的研发设计周期，并能够提前发现问题进行结构和功能改进，从而可极大地节省试验成 本、避免试验的盲目性，协助完善试验测试方案，具有很强的实用性的一种特高压断路器用 液压操动机构的仿真平台系统及方法。
[0010] 本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：
[0011] 一种特高压断路器用液压操动机构的仿真平台系统，其特征在于，包括四个子系 统，即：
[0012] 储能子系统：用于保持系统正常工作所需的压力，为系统工作提供动力；
[0013] 控制阀子系统：用于切换系统工作状态、控制液压缸活塞杆的运动方向，并保证系 统的快速高效响应；
[0014] 液压缸及其内缓冲子系统：用于建立系统工作时的负载条件，在满足系统工作所 需速度要求的基础上，减轻活塞对缓冲套和液压缸缸壁的冲击；
[0015] 管道子系统：用于连接液压操动机构中的各元件，为液压缸、控制阀的动作供油和 提供泄压至油箱的回路；
[0016] 其中，
[0017] 所述储能子系统包括：
[0018] 蓄能器活塞初始位置计算模块：由蓄能器预冲压、系统要求工作压力和蓄能器体 积三个参数，根据气体状态平衡方程来计算蓄能器活塞的初始位置；
[0019] 蓄能器搭建模块：据活塞式蓄能器的特点，考虑活塞的惯性和局部细节特征，运用 最基本的活塞单元组建蓄能器的计算模型，避免造成蓄能器模型与实际不符的缺陷；
[0020] 充压装置模块：考虑到系统工作时蓄能器所提供的压力必定会有一定程度的降 低，需要设置充压装置（电机、油泵、单向阀、油箱、管道），以保证蓄能器的压力保持在一定 范围内；
[0021] 所述控制阀子系统包括：
[0022] 电磁先导阀模块：一个分闸电磁先导阀和一个合闸电磁先导阀，先导阀又由电磁 铁和锥阀组成，采用电磁场仿真模块（如Ansoft/Maxwell)，根据电磁铁的特征参数（气 隙、安匝数、行程、电阻）计算其动态出力特性（磁通和电磁力分别随气隙、安匝数的变化规 律），将特征数据导入到液压系统仿真模块中（如AMESim)共同搭建电磁先导阀的模型；
[0023] 放大阀模块：一个分闸放大阀和一个合闸放大阀，放大阀和先导阀之间设置直径 为0. 8_的节流短管，用以组建压力保持回路；
[0024] 主阀模块：一个分合闸共用的大流量滑阀，考虑滑阀阀口的非标准特性（阀体上 具有锥形沉割槽、阀芯上具有倒角），建立阀口过流随阀芯行程的参数化模型，并根据实际 参数计算过流面积和水力直径随行程的变化数据，嵌入到主阀的仿真模型中；
[0025] 所述液压缸及其内缓冲子系统包括：
[0026] 差动式液压缸模块：由活塞、活塞杆和活塞两端柱塞与液压缸缸壁组合搭建液压 缸的精确仿真模型，通过读取拟合的分合闸负载曲线在液压缸端部设置负载子模型；
[0027] 缸内缓冲参数化模型模块：同一型式柱塞的结构参数化建模和不同型式柱塞的方 案参数化建模，缓冲柱塞的结构参数包括柱塞长度、直径、柱塞与缓冲孔配合的初始间隙、 台阶数量、各台阶长度和配合间隙，缓冲柱塞的方案参数化模型包括台阶形柱塞、圆柱形柱 塞、圆锥形柱塞、抛物线形柱塞和短笛形柱塞；
[0028] 所述管道子系统包括：
[0029] 沿程压力损失模型模块：根据每一条管道的长度、直径计算管道的容性、阻性和惯 性效应，然后选择满足要求的最简单的管道模型，以避免模型过于复杂对系统造成不良影 响；
[0030] 局部压力损失模型模块：在管道发生流道突变的位置（管道突然收缩或扩张、弯 管、T型管、相交管），选用合适的局部损失模型来连接整个管道系统。
[0031] 一种特高压断路器用液压操动机构的仿真方法，其特征在于，基于流体力学相关 的基本理论建模和机械动力学相关的基本理论建模，其中流体力学理论以实际不可压缩流 体总流的伯努利方程为基础，
[0032]
【权利要求】
1. 一种特高压断路器用液压操动机构的仿真平台系统，其特征在于，包括四个子系统， 即： 储能子系统：用于保持系统正常工作所需的压力，为系统工作提供动力； 控制阀子系统：用于切换系统工作状态、控制液压缸活塞杆的运动方向，并保证系统的 快速高效响应； 液压缸及其内缓冲子系统：用于建立系统工作时的负载条件，在满足系统工作所需速 度要求的基础上，减轻活塞对缓冲套和液压缸缸壁的冲击； 管道子系统：用于连接液压操动机构中的各元件，为液压缸、控制阀的动作供油和提供 泄压至油箱的回路； 其中， 所述储能子系统包括： 蓄能器活塞初始位置计算模块：由蓄能器预冲压、系统要求工作压力和蓄能器体积三 个参数，根据气体状态平衡方程来计算蓄能器活塞的初始位置； 蓄能器搭建模块：据活塞式蓄能器的特点，考虑活塞的惯性和局部细节特征，运用最基 本的活塞单元组建蓄能器的计算模型，避免造成蓄能器模型与实际不符的缺陷； 充压装置模块：考虑到系统工作时蓄能器所提供的压力必定会有一定程度的降低，需 要设置充压装置，以保证蓄能器的压力保持在一定范围内；所述控制阀子系统包括： 电磁先导阀模块：一个分闸电磁先导阀和一个合闸电磁先导阀，先导阀又由电磁铁和 锥阀组成，采用电磁场仿真模块，根据电磁铁的特征参数计算其动态出力特性，将特征数据 导入到液压系统仿真模块中共同搭建电磁先导阀的模型； 放大阀模块：一个分闸放大阀和一个合闸放大阀，放大阀和先导阀之间设置直径为 0. 8_的节流短管，用以组建压力保持回路； 主阀模块：一个分合闸共用的大流量滑阀，考虑滑阀阀口的非标准特性，建立阀口过流 随阀芯行程的参数化模型，并根据实际参数计算过流面积和水力直径随行程的变化数据， 嵌入到主阀的仿真模型中； 所述液压缸及其内缓冲子系统包括： 差动式液压缸t吴块：由活塞、活塞杆和活塞两柱塞与液压缸缸壁组合彳合建液压缸的 精确仿真模型，通过读取拟合的分合闸负载曲线在液压缸端部设置负载子模型； 缸内缓冲参数化模型模块：同一型式柱塞的结构参数化建模和不同型式柱塞的方案参 数化建模，缓冲柱塞的结构参数包括柱塞长度、直径、柱塞与缓冲孔配合的初始间隙、台阶 数量、各台阶长度和配合间隙，缓冲柱塞的方案参数化模型包括台阶形柱塞、圆柱形柱塞、 圆锥形柱塞、抛物线形柱塞和短笛形柱塞； 所述管道子系统包括： 沿程压力损失模型模块：根据每一条管道的长度、直径计算管道的容性、阻性和惯性效 应，然后选择满足要求的最简单的管道模型，以避免模型过于复杂对系统造成不良影响； 局部压力损失模型模块：在管道发生流道突变的位置，选用合适的局部损失模型来连 接整个管道系统。
2. -种特高压断路器用液压操动机构的仿真方法，其特征在于，基于流体力学相关的 基本理论建模和机械动力学相关的基本理论建模，其中流体力学理论以实际不可压缩流体 总流的伯努利方程为基础，
其中p为液体密度，g为重力加速度，Pi、P2为沿程两点的压力，21、22为沿程两点的绝 对高度，Vl、V2为沿程两点液体的断面平均流速，hf为单位重量流体沿总流机械能损失的平 均值，α ρ α 2为相应的动能修正系数，其表达式为：
Δ u为实际流速和断面平均流速的差值，Α为过流断面的面积； 上述实际不可压缩流体总流的伯努利方程表示系统中压力能、动能、势能和损失能之 间的转化关系，在实际系统建模中只需根据具体要求选用合适的数学模型和元件模拟对应 的能量项即可，具体来说，压力能对应蓄能器内和管道内的液体压力能，动能对应管道内 液体流动以及液体所驱动的活塞运动动能，势能对应不同布置高度处元件内的液体重力势 能，在系统结构紧凑、工作压力高的情况下可忽略重力势能，损失能对应液体在管道内流动 的沿程压力损失和液体流经弯管、阀门的局部压力损失； 系统中能量集中和能量转换剧烈的元件是液压缸，活塞在缸内的运动是一维有阻尼受 迫运动，其运动微分方程为：
其中m为活塞质量，Cl和c2为粘性阻尼系数，&为库伦摩擦力，F(t)为阀芯两端液体 压力形成的驱动力； 包括以下步骤： 步骤1，进行参数确立：包括需要用户输入的系统工况参数和仿真计算所需的模型特 征参数，其中，需要用户输入的系统工况参数属于计算所需的基本工况参数，决定着系统的 工作环境、系统响应速度和结果响应趋势；仿真计算所需的模型特征参数为具体位置处的 计算设置，包括蓄能器的精确结构参数、控制阀的阻尼和开口度参数、液压缸和缓冲柱塞的 具体结构参数、管道的结构参数； 所述需要用户输入的系统工况参数具体包括，系统工作压力P〇,液压缸行程U和直径 %，缓冲孔直径d和缓冲长度L，蓄能器的容积 '、直径Di和预冲压Pi，这些参数决定系统工 作的基本形式以及重要特性数据的变化趋势和转折点； 仿真计算所需的模型特征参数是根据第一类基本参数自动计算出的，具体包括： 参数组一：蓄能器活塞初始位置计算模块根据用户设定的系统工作压力h、预充压力 Pi、蓄能器容积％进行蓄能器活塞初始位置参数计算，具体计算过程如下 η为指数，在蓄能器大量供油时为绝热状态，η取值为1.4
参数组二：控制阀的相关参数模块根据用户设定的阀芯行程、和阀芯质量单元的初始 参考坐标Χ〇进行阀芯运动的极限位置Xi和x2的设定，根据阀芯质量单元的初始参考坐标 Χ(ι进行阀芯在初始状态时的开口度％的设定，根据阀体直径D和阀芯质量单元的初始参考 坐标进行阀芯在初始状态时各级阀的控制腔长度1的设定，根据主阀阀芯的通径屯、阀 芯行程U以及阀套的锥形沉割槽和阀芯的倒角的特征参数a、a、b、β进行主阀非标准阀 口参数化模型的计算； 各级阀阀口过流的流量方程如下，
其中i取值为[1，2, 3……]代表不同的控制阀，Qi为阀口流量，Ai为阀口过流面积，Cdi 为阀口流量系数，APi = (P^Pi+l)为阀口过流前后压差，p为油液密度； 参数组三：液压缸的相关参数模块根据用户设定的负载机构各构件的质量进行归结到 活塞上的当量质量m的计算,计算公式如下
其中％为活塞本身的质量，mB、m。为运动构件中各节点的质量； 液压缸缓冲柱塞的结构参数，具体可分为圆柱型、圆锥型、阶梯型和抛物线型四种结 构，在柱塞进入缓冲孔后的缝隙节流阶段，四种结构柱塞的节流方程分别为
其中Qfl、Qf2、Qf3、Qf4分别为四种型式缓冲的流量，d为缓冲孔直径，p为过流口前后压 差，S为柱塞与缓冲孔之间的间隙（对于圆柱型柱塞δ为均匀间隙，对于圆锥型柱塞为δ i 最小间隙、S为最大间隙，对于阶梯型柱塞δ i为各级阶梯与缓冲孔之间的间隙，对于抛物 线型柱塞S为柱塞与缓冲孔的最小间隙），μ为液体的动力粘度，v为柱塞的运动速度，X 为柱塞的位移，L为计算开始时柱塞距离缓冲孔的距离，1为缓冲柱塞的总长度，li为各级 阶梯的长度； 参数组四：管道的参数模块根据用户设定的实际结构的管道内径D和长度L，进行长细 比AMti。和粘性影响Ndiss度这两个参数的计算，计算公式如下
其中μ为液体的动力粘度，a为音速，根据这两个参数的计算结果进行管道模型的详 细选择和搭建； 步骤2,参数确定后，进行仿真模型搭建和计算，根据理论建模和参数确立的结果，在仿 真平台中进行系统综合计算模型的搭建，采用最基本的单元（如AMESim中的piston单元） 进行复杂模型的组装，然后运用合适的管道模型（如AMESim中的HL01单元）将各元件连 接在一起，再进行具体参数的精确设置，然后进行特定工况下系统综合特性的仿真计算； 步骤3,结果输出，计算完毕后，可根据需要输出系统的重要特性数据，包括控制阀阀 芯的位移、速度，电磁铁的电流和铁芯位移，典型管道中的脉动压力，液压缸活塞的位移、速 度、加速度，液压缸缓冲腔内的冲击压力、控制阀阀芯上的冲击压力，通过这些特征数据可 预测系统的工作特性并能够发现可能存在的运行问题和故障。
3.根据权利要求1所述的一种特高压断路器用液压操动机构的仿真平台系统，其特征 在于，所述参数组二的设定中：主阀非标准阀口参数化模型的计算基于经过参数化设计的 主阀阀口过流面积和水力直径随阀口开度的计算模型，公式如下： 阀口开度X的分段模型为：
最终计算得到的阀口过流面积S随阀口开度的变化为：
阀口过流水力直径随Dh随阀口开度的变化为：
上述参数化模型中：a，a，b，β分别为阀套的锥形沉割槽和阀芯的倒角的特征参数；X 为用于数据交互的阀口开度状态变量；屯为主阀阀芯的通径，U为阀芯行程。
【文档编号】H01H3/24GK104156541SQ201410424611
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年8月26日 优先权日:2014年8月26日
【发明者】巫世晶, 张增磊, 赵文强, 胡基才, 赖奇暐, 孟凡刚 申请人:武汉大学